Сотни часов может работать подшипник с воздушной смазкой при огромных числах оборотов с ничтожными потерями на трение, ничтожным нагревом.
Так ведется борьба с трением в машинах, где скоростям сейчас ведут счет на десятки тысяч оборотов.
Их требует промышленность. Ведь в некоторых шлифовальных станках шпиндель делает 100 тысяч и больше оборотов в минуту. Ведь широко применяется теперь сверхскоростное фрезерование.
Советскими инженерами созданы сверхскоростные шпиндели для расточки и шлифовки небольших отверстий — на 120 тысяч, а в опытных образцах и на 200 тысяч оборотов в минуту.
Большая скорость здесь совершенно необходима — без нее нельзя добиться нужной чистоты обработки.
Очень высокие скорости необходимы не только для шлифования.
Летчику и моряку нужны гироскопические приборы — креномер, гирокомпас и другие, в которых с большой скоростью вращается волчок. Скорость вращения волчков в этих приборах доходит до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту.
Гироскоп — основа автопилота, который без помощи человека ведет по заданному курсу самолет или ракету.
Отклонение от курса — рамка гироскопа, соединенная с корпусом самолета или ракеты, замыкает контакт электрической цепи. Включаются моторы, поворачивающие рули, — и самолет снова на верном курсе.
Гироскоп и его применение.
Скорости самолетов выросли за последние годы. Ракета движется с максимальной скоростью 5 000 километров в час. Нужна повышенная чувствительность гироскопических приборов, высокие скорости вращения гироскопа.
Бороться с трением приходится не только в подшипнике.
Всюду, где касаются друг друга движущиеся части машин, — есть трение.
Цилиндр и поршень, шестерни зубчатых передач — таких примеров, таких пар можно было бы привести множество, самых разных. А общее у них одно— трение, вызывающее износ.
Трение — это прежде всего тепло. Им можно добывать огонь: нагрев при трении воспламеняет головку спички. Если металл плавится легко, то трущаяся поверхность не замедлит расплавиться. Расплавленные частички такого металла приварятся к другому металлу.
Трение отрывает мельчайшие частички с металлической поверхности и портит ее.
В новой машине трение на первых порах бывает даже полезно. Детали «прирабатываются», «привыкают» друг к другу, как приспосабливаемся мы к новой обуви. Но скоро оно начинает свою разрушительную работу и в конце концов выводит машину из строя. За машиной поэтому нужно все время следить — не истерлись ли ее части.
Не надо забывать также, что машина работает не в пустоте. Ее окружает воздух, она имеет дело с водой, или паром, или горячими газами. Это ослабляет металл. Он становится менее стойким к износу.
Поверхность металла обработана. Этим разрушены кристаллические решетки в тонком обработанном слое. Металл с поверхности уже не тот, что был и что остался внутри. Он легче поддается окислению, становится более хрупким, искрашивается.
Некоторые сплавы обладают самозащитой против окисления. На них появляются тончайшие пленки окислов, не дающие окислению идти дальше, в глубь металла. Эту самозащиту стремятся усилить. В те — сплавы, которые должны работать в тяжелых условиях, где окисление неизбежно, вводят добавки, способствующие образованию защитной пленки.
Детали смазывают, чтобы уменьшить трение и износ. Смазка необходима, но она отчасти приносит и вред, хотя это и кажется странным на первый взгляд.
Слой смазки прилипает к поверхности, увлекает за собой другие слои — и смазка заполняет зазор.
Как мы знаем, проникая в мельчайшие трещинки на поверхности металла, смазка «расклинивает» их, увеличивает, помогает износу «портить» поверхность.
Мы — в который раз! — встречаем противоречие. Обрабатывая металл, невольно разрушаем его поверхность. Стремясь уменьшить трение, а значит, износ, смазкой увеличиваем его.
И задача технолога, инженера состоит в том, чтобы примирить эти противоречия. Обрабатывая и смазывая металл, сделать износ как можно меньше.
Правильным выбором смазки, способа ее подачи смягчают неизбежный вред, стараются предотвратить сильное разрушение поверхности, сделать износ равномерным, постепенным. Добавляют к смазке присадки, улучшающие ее свойства.
Графит расслаивается чешуйками, которые легко скользят друг по другу. Он, кроме того, мягок и не вредит металлу. Попадая между трущимися поверхностями, чешуйки графита заполняют трещинки, сглаживают неровности, и износ уменьшается. Поэтому некоторые машины вместо масла стали смазывать графитом.
Бороться с износом помогают и новые способы обработки поверхностей, о которых мы говорили, когда речь шла о покоренном металле.
Сколько же врагов скоростных машин мы уже знаем?
Сопротивление воздуха, трение и износ, нарушение устойчивости работы, иногда тепло, которого выделяется слишком много. Все они по-новому, сильнее проявляют себя на больших скоростях. Борьба с ними — важнейшая задача современной техники.
И ее успешно решают советские инженеры.
ТЫСЯЧИ ОБОРОТОВ В МИНУТУ
С каждым годом быстрее вращаются валы машин, быстрее двигаются станки, быстрее летают самолеты. Кто же дает жизнь машинам, приводит их в движение?
Двигатели, или приводы, как их называют машиностроители. Без них мир машин был бы мертв. Не было бы и быстроходных машин без быстроходных двигателей.
Тысячи оборотов в минуту стали привычной меркой в технике сегодня. Со скоростью 10 тысяч оборотов в минуту вращается вал токарного станка-автомата. 20–30 тысяч оборотов делают современные прядильные веретена. Число оборотов авиационной газовой турбины, установленной на скоростном реактивном самолете, достигает 15 тысяч в минуту.
В небольших сверлильных станках число оборотов доходит до 20 тысяч. Турбина турбодетандера — аппарата для сжижения воздуха — вращается со скоростью 40 тысяч оборотов в минуту. Шпиндели фрезерных деревообрабатывающих станков и гироскопы в приборах делают до 60 тысяч оборотов в минуту.
Есть сверхскоростные приводы, у которых числа оборотов могут доходить до 120–150 тысяч в минуту. Они вращают шлифовальные шпиндели и ультрацентрифуги.
История создания двигателей больших скоростей — яркий пример той борьбы с трудностями, которую ведет современная скоростная техника.
Все, о чем мы говорили, рассказывая о задачах, возникающих перед творцами высокоскоростных машин, находит здесь свое применение.
Оглянемся в прошлое, познакомимся с биографией теплового двигателя.
«Огонь слугою машинам склонить», — мечтал великий русский техник Иван Ползунов, — чтобы «облегчить труд по нас грядущим».
Паровая машина, созданная Ползуновым, была первым двигателем, заставившим тепло работать на фабриках и заводах. Началось владычество «его величества пара». Паровая машина освободила фабрики от власти рек, от господства водяного колеса.
Но шло время. Наступал век электричества. Бурно растущей промышленности требовался новый мощный двигатель, быстроходный привод для генератора электрического тока. Появилась паровая турбина. Она и стала таким приводом, открыв электричеству широкую дорогу.
Осталось все, что связано с получением пара, — топка, котел и вспомогательные механизмы. Но у турбины нет цилиндра с поршнем, как в паровой машине. Пар вращает турбинное колесо.
Отпала надобность в громоздких стальных руках — шатунах с кривошипами, которые превращали движение поршня во вращение вала машины. Сразу, без этих посредников, получалось вращение. Слово «турбина» и происходит от слова «турбо», что значит «вихрь».
